CN105591452A - 一种均衡发电球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均衡发电球形机器人。其整体结构仿蒲公英设计，它包括双层球体结构、电能采集装置。所述双层球体，包括硬质的内层球形壳体和可充气的外层球形壳体组成，在内外球形壳体之间空腔中安装电能采集装置。所述电能收集装置包括主管道和末梢分支管道组成，主管道底端与内层球体外壁相连，末梢分支管道与外层球体相连，发电管道支撑内外球壳。在随球体滚动过程中，将动能转化为电能利用。18根发电管道成空间高度对称结构布置，实现全向运动均衡发电的目的。遇到障碍物限制运动情况，末梢分支管道利用微振动发电。发电管道产生电能供给通讯、科考设备。本发明可实现在任意风向下的均衡发电，能源利用率高，适用于极地强风环境下的探测应用。

Description

一种均衡发电球形机器人

技术领域

本发明涉及一种具有全方位的均衡发电球形机器人，是一种可以运用于极地科考探测的球形机器人。属于移动机器人开发的领域。

背景技术

南极被人们称为第七大陆，是地球上最后一个被发现、唯一没有土著人居住的大陆。但是在这天寒地冻之下,却有着极其重要的考察意义。南极地区的矿产资源极为丰富，蕴藏的矿物有220余种。面对如此丰富的资源，人类必然需要进行勘探，研究，以便将来对它们的使用。但是，南极地区的生态环境又极其恶劣，研究人员直接对未知领域地区进行科考有非常大的危险。因此，研究人员提出了机器人代替人类对南极未知领域的勘探，目前在南极实现科考、勘探任务的机器人有多种如履带式、轮式和球形机器人等。由于南极的持续强风的特点，球形机器人因其独特的球体结构外形，在运动过程中不存在倾倒问题，当与障碍物或其他运动机构发生碰撞时，具有较强的自我恢复能力，而且所有零部件都封装在球壳内，因此其内部部件可以得到球壳的保护，同时球形结构使得机器人内部布置紧凑，节省空间。在南极科考发挥了重大作用。

目前的关于球形机器人的能源获得方式与续航能力一直是困扰研究人员的主要问题，目前球形机器人的能源获得方式主要可分为两类，第一类是携带蓄电池提供，其特点是可以提供给对电能高消耗的主动驱动机构工作，适用于具有主动驱动式的球形机器人，但蓄电池电能一旦消耗完，就必须进行人工更换后才能继续工作，这就大大限制了球形机器人的工作科考范围。

另一类能源获得方式是再生能源，主要是利用环境能量转化成可利用的电能，目前主要有风力和太阳能两种，利用太阳能需安装太阳能板或是太阳能薄膜，但基于球形机器人的特殊结构，安装困难且能源利用率低，实用价值并不大。而风力是利用球形机器人在风驱动下滚动过程中动能转化成电能，实现能源的再生。

1999年起至今，美国航空航天局NASA都在致力于研究适用于火星探测的球形机器人Tumbleweed，它采用存风力驱动，这是一种大型的，靠风力吹动的充气式球体，内置蓄电池供能但摒弃了主动驱动机构，同时在球体内部携带有各种检测仪器等载荷。由于整个球体是充气式的，运输时可以放气，将体积减小到极小的程度，非常便于携带。整个机器人结构简单轻便，为研究工作者在大面积区域内进行数据采集工作提供了有效而简便的方法。在格陵兰岛，风滚草巡游者完成了独自穿越130多公里长的冰原的探测工作。全程由内置蓄电池为传感器供能，通过卫星网络传回了沿途的温度和压力的可靠数据。

2010年加拿大多伦多大学提出了一种单摆式电能采集球形机器人，它在强风环境下利用随风自由滚动，同时带动固定在球壳的主轴随球转动，主轴转动带动发电机齿轮转动，将动能转换成电能储存在蓄电池中。同时在低风环境下，可以利用蓄电池电能驱动电机，通过移动单摆重物来改变重心实现主动控制驱动。

为实现大范围、长时间对未知地区科考，能源再生问题亟待解决，提出一种适合球形机器人特殊结构，同时契合南极恶劣环境的能源采集和有效利用是未来研究的方向。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，提供一种在极地强风环境下实现全方位的运动均衡发电球形机器人。该机器人可进行全方向风力驱动，利用球形机器人滚动的动能转化电能同时在任意风向作用下都能具有发电能力，保证电能再生的持续性与稳定性。

为达到上述目的，本发明所采用的构思是：本发明采用球形机器人结构，以利用南极的强风环境，采用外界风力为唯一驱动力的被动驱动，同时采用球体内部布置空间高度对称的发电管道和储电电路系统，在球体在风力作用下滚动过程中，将动能转化成电能，再经由A/D转换、稳压电路系统储存到蓄电池或直接供应的传感器等设备中。

所采用的发电管道为仿自然界的蒲公英形状进行设计和布置，分为每根发电管道由主管道和末梢的三个支路管道组成，主管道利用强风驱动下球体滚动的动能转化成电能发电，末梢支路管道在球体无法滚动的情况下利用微振动进行发电，两者相互配合完成极地长时间、大范围的科考工作；

采用的仿蒲公英状空间布局为高度对称结构，在面对任意风向情况下，整个发电系统都能够持续、稳定的发电，达到均衡发电的目的。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种全向均衡发电球形机器人，包括：一个球形机器人结构，主控制系统、发电管道、高性能蓄电池、任务传感器、依星定位通讯系统和A/D转换以及稳压系统。其特征在于所述球形机器人内部安装仿蒲公英布置发电管道，固定主控制系统、高性能蓄电池、任务传感器、依星定位通讯系统和A/D转换以及稳压系统。所述发电管道与A/D转换以及稳压系统相连，完成将发电管道产生的交流电转换成直流和稳压作用。所述A/D转换以及稳压系统与主控置系统相连，完成对电能的管理。所述高性能蓄电池与主控制系统相连，完成系统供电和发电管理工作。所述主控制系统与任务传感系统相连，监控环境信息和定位信息等。主控制系统与依星通讯系统相连，完成通讯和信息传递。所述主控制系统用于风力驱动下系统的电能管理和传感器控制和通讯管理。

上述球形机器人采用双层球体结构，内外层球形壳体形成两个空腔。内层球体采用碳纤维材料类似蒲公英的球茎形态，同时外壁有若干可供安装发电管道；外层球形壳体采用可充气的尼龙材料包裹住所有发电管道，隔绝外界环境。内层球形壳体采用对称球体结构起支架和本体外盖保护等功能，内部安装和固定各种系统，该机构包括安装辅助板，螺钉，主控制系统、高性能蓄电池、任务传感器、依星定位通讯系统和A/D转换以及稳压系统；所述上半球壳和所述下半球壳相连，并通过螺钉固定；所述安装辅助板安装在内层球形壳体内部，并通过螺钉固定；所述主控制系统、依星定位通讯系统高性能蓄电池和A/D转换以及稳压系统安装在上述辅助板上；所述外层球形壳体与内层球形壳体之间形成空腔用于布置发电管道；所述外层球体与上述发电管道相连，包裹整个球体，并留有充放气口；

上述发电管道包含碳纤维圆柱型空心主管道、末梢分支管道、永磁块、铜线圈和弹簧。所述铜线圈分为三部分紧密缠绕在主管道外壁的两端和中间部分，各末梢分支管道外壁的中间也紧密缠绕铜线圈；所述主管道与上述内层球壳螺纹连接固定；所述末梢分支管道由三支分叉空心细管道成三脚架型焊接在一起，结合部分为圆柱型内设螺纹与管道螺纹连接固定；所述永磁块分别置于主管道内可沿管道方向往复滑动；所述弹簧为上述三支分叉空心细管道长度一半一端安装在三支分叉空心细管道末端，上述弹簧另一端与上述永磁块勾连在一起，可在管道方向产生小幅振动。

上述主控制系统的结构是一个微处理器经电路分别连接连接A/D转换以及稳压系统电路、连接电源状态检测电路、复位电路和接口转换电路。所述接口转换电路连接任务传感系统和依星通讯系统；所述主控制系统用于风力驱动下系统的电能管理和传感器控制和通讯管理。

上述A/D转换以及稳压系统为全桥整流、滤波电路，用于将发电管道产生的交变电转换成可供储存和使用的稳压直流电。

上述任务传感系统包含全球定位系统和温湿度传感器等，用于获得当前环境的温度湿度信息和全球卫星定位信息等。

上述依星通讯系统，用于实现信息数据的远程监控和远程数据通讯，并可以实现机器人远程收集环境信息和定位信息。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

（1）设计方案属于风能驱动的球形机器人，其结构和功能主要针对南极特殊强风环境而设计，主要的应用在于南极科考时的数据采集。其主要驱动依靠风能，可以节省大量的能量，再加上自身的能量收集装置，可以最大程度上提高续航能力。

（2）本发明充分利用了外界风力资源，利用风驱动下的球形机器人的动能转化为电能发电，同时提出了适用于球形机器人球体结构特点的管道式发电装置，特别是管道的布局方式的高度空间对称性保证了全方向运动时的均衡发电，

（3）放射状“蒲公英”型管道结构的末梢分支管道包含了微振动发电能力，在球形机器人被困在某处不能运动时，可以依靠末梢管道的微振动采集电能，实现了能源利用的最大化，满足了在极地不同工作状态下的能源供给需要。

（4）设计了针对多管道同时发电的A/D转换以及稳压系统，对多个发电管道直接产生的交变电进行了整流、滤波和稳压，实现了电能的可利用性。

（4）整体设计结构简单，结构紧凑，重量轻便，不需要复杂的内部传动机构，运输、安装方便。

附图说明

图1是本发明的整体立体结构剖视图。

图2是本发明内部发电管道结构图。

图3是图2末梢分支管道的局部放大图。

图4是本发明中发电系统系统的结构框图。

图中标记名称：1、外层壳体，2、内层球壳，3、发电主管道，4、发电末梢分支管道，5、主管道铜线圈，6、主管道永磁体，7、弹簧，8、分支管道永磁体，9、分支管道线圈，10、橡胶塞底座。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1~图4，本均衡发电球形机器人机构采用双层球体结构，内层球形壳体(2)采用对称球形结构，完成发电导管的支架和设备保护等功能，内所述内层球形壳体（2）由上半球体和下半球壳组成，贴合后用螺钉连接成空心球体。整个内层球形壳体(2)有18个螺纹孔，用于安装发电管道、线路布置和电路的连通。

所述外层球形壳体（1）留有充气孔，充满保温气体成饱满球体，随风漫游，并保证球形机器人在适宜温度下正常工作。

所述发电主导管内置所述磁块（6），并在发电主管道两端分别与内层球体(2)末梢分支管道(4)螺纹连接固定，上述铜线圈紧密缠绕在发电主管道（3）外壁的上端（5-A），中部（5-B）和下端（5-C），所述铜线圈(5)引出线路与A/D转换以及稳压系统相连，完成电能的导出。

上述末梢分支管道（4）由末端分出三根细管道成空间三角形布置，每根细管道内置弹簧（7），弹簧一端与细管道末端(10)相连，一端与永磁体(8)相连。

实施例二：

本实施例与实施例二基本相同，特别之处如下：所述参见图4所示本均衡发电球形机器人包括内外双层球体结构，主控制系统（103）、高性能蓄电池（105）、任务传感系统（104）、依星通讯系统（106）和A/D转换以及稳压系统（102）。其特征在于所述球形机器人机构内层球体内部（2）安装和固定所述主控制系统（103）、高性能蓄电池（105）、任务传感系统（105）和依星通讯系统（106），所述主控制系统（102）与高性能蓄电池（105）相连，完成系统供电和电能管理功能；所述主控制系统（103）与任务传感系统（104）相连，获得当前环境的温度湿度信息和全球卫星定位信息等；所述主控制系统（103）与依星通讯系统（106）相连，实现卫星远程数据通讯和远程控制等功能；所述主控制系统用于风力驱动下系统的电能管理和传感器控制和通讯管理。

实施例三：

本实施例与实施例二基本相同，特别之处在于：A/D转换以及稳压系统（102），所述A/D转换以及稳压系统（102）与18根发电管道相连（3,4），对每个发电管道采用的是独立整流的并联电路，每个独立整流电路有4个二极管组成并与其他发电电路并联连接到电路，各支路相互独立，不会产生电动势抵消和内阻积累。可完成针对多管道同时发电的交变电的整流、滤波和稳压工作。

该球形机器人发电与收集情况如下：

1)在外界风力驱动下球形机器人随风滚动，内层球(2)体和外层球体(1)形成空腔内布置的蒲公英型发电管道，其内置永磁体(6)会在管道(3)内来回往复运动，在这个过程中会不断的切割缠绕在管道外的铜线圈(5)，根据法拉第电磁感应定律，在这个过程中会产生感应电流，根据管道的优化空间布局，对任意风向驱动时都将会有至少5根发电管道会产生电能，经由发电管道（3）产生的交变电能会连接到A/D转换以及稳压系统（102）转换成稳压直流电储存到高性能蓄电池（105）中。

2)本发明同时考虑到球形机器人在未知环境科考中极容易陷入沟壑等障碍中，当球形机器人无法随风滚动时，为了防止与球形机器人失去联系，在强风环境下发电管道的末梢分支管道(4)部分会进行微振动发电，产生电能，经由发电管道产生的交变电能会连接到A/D转换以及稳压系统（102）转换成稳压直流电供给依星通讯系统（106）发送位置信息，方便救援与回收利用。

Claims (6)

1.一种均衡发电球形机器人，其特征在于：采用双层球体结构，由内外层球形壳体（1,2）形成两个空腔。

2.内层球形壳体（2）采用碳纤维材料类似蒲公英的球茎形态，同时外壁有若干螺孔可供旋接发电管道；外层球形壳体（1）采用可充气的尼龙材料制成而包裹住所有发电管道的外端，并隔绝外界环境。

3.所述内层球形壳体（2）采用对称球体结构而起支架和本体外盖保护作用，内部安装和固定：包括安装辅助板、主控制系统（103）、高性能蓄电池（105）、任务传感系统（104）、依星通讯系统（106）和A/D转换以及稳压系统（102）；所述内层球形壳体（2）由上半球壳和所述下半球壳相连构成，并通过螺钉固定连接成一体；所述安装辅助板安装在内层球形壳体（2）内部，并通过螺钉固定；所述主控制系统、依星定位通讯系统、高性能蓄电池和A/D转换以及稳压系统安装在所述安装辅助板上；所述外层球形壳体（1）与内层球形壳体（2）之间形成的空腔用于布置发电管道；所述外层球形壳体（1）与上述发电管道（3）的外端相连而包裹所有发电管道（3）形成球体，并留有充放气口。

4.根据权利要求1所述一种均衡发电球形机器人，其特征在于：所述发电管道包含碳纤维圆柱型空心主管道（3）、末梢分支管道（4）、主管道永磁块（6）、分支管道永磁块（8）、铜线圈（5,9）和弹簧（7）。

5.所述铜线圈（5）分为三部分（5A，5B，5C）紧密缠绕在空心主管道（3）外壁的两端和中间部分，各末梢分支管道（4）外壁的中间也紧密缠绕铜线圈（9）；所述空心主管道（3）与所述内层球形壳体（2）通过螺纹连接固定；所述末梢分支管道（4）由三支分叉空心细管道成三脚架型焊接在一起，其结合部分为圆柱型内设螺纹与管道螺纹连接固定；所述主管道永磁块（6）分别置于空心主管道（3）内可沿管道方向往复滑动；所述弹簧（7）为上述三支分叉空心细管道长度一半，其一端安装在三支分叉空心细管道末端，所述弹簧（7）另一端与所述分支管道永磁块（8）勾连在一起，分支管道永磁块（8）可在管道方向产生小幅振动。

6.根据权利要求1所述一种均衡发电球形机器人，其特征在于：所述主控制系统（103）的结构是一个微处理器经电路分别连接连接A/D转换以及稳压系统（102）电路、连接电源状态检测电路、复位电路和接口转换电路；所述接口转换电路连接任务传感系统（104）和依星通讯系统（106）；所述主控制系统用于风力驱动下系统的电能管理和传感器控制和通讯管理；

所述A/D转换以及稳压系统（102）为全桥整流、滤波电路，用于将发电管道产生的交变电转换成可供储存和使用的稳压直流电；

所述任务传感系统（104）包含全球定位系统和温湿度传感器等，用于获得当前环境的温度湿度信息和全球卫星定位信息；

所述依星通讯系统（106），用于实现信息数据的远程监控和远程数据通讯，并可实现机器人远程收集环境信息和定位信息。